물의 빛에 대해서

물의 빛에 대해서

물의 흡수 스펙트럼의 예를 그림에 나타낸다.

빛의 파장(또는 파수)을 가로축으로 하여 빛의 흡수계수를 세로축으로 나타낸 것이다.

여기에서 α 또는 β를 흡수계수라고 한다.

또한 파수란 1cm당 빛의 파수, 즉 파장의 역수로 적외선 흡수 스펙트럼 등에서는 파장보다 파수로 표시하는 것이 일반적이다.

그림에서 알 수 있듯이 물의 가시광선 영역의 흡수는 파랑의 흡수 계수가 작고 파장이 길어질수록 즉 빨강에서 적외선 영역에 걸쳐 흡수 계수가 커진다.

이것은 물의 색은 무색투명하지 않고, 붉은 기를 제외하고 약간 청록색을 띠는 투명한 액체임을 의미한다.

그러나 바다색이나 호수에서 관찰되는 색은 용해된 성분이나 불순물의 영향을 받고 있으므로 물의 본래의 색과는 다르다.

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기준에 사용된 물

물은 가장 친근한 물질의 하나로, 취급이 용이하기 때문에 화학의 발전에 있어서 단위의 기준으로서 중요한 역할을 하고 있었다.

예를 들어 온도(섭씨)의 기준에 물의 융점( 0℃)와 끓는점(100℃)이 이용되어 밀도가 가장 큰 4℃(엄밀하게3.98℃)에서의 단위 부피(1cm3) 질량의 기준( 1g)로 정의되어 있었다.

또, 1g의 물을 1℃ 올리는 데 필요한 열량(에너지)을 1cal(칼로리)로 정의했다.

그러나, 과학기술의 발전에 따라, 높은 정도의 기준이 요구되어, 물을 기준으로 하는 것의 기술적 곤란(고정밀도 측정)이 늘어났다.

이 때문에 질량의 기준으로는 1879년에 작성된 국제 킬로그램 원기를 사용하게 되어, 물의 4℃, 1cm3의 질량이 종래의 1.0g에서 0.9972g으로 변경되었다.

이 때문에 과거의 물을 기준으로 한 단위(밀도 등)도 종래와는 완전한 일치가 없게 되었다.

현재는 질량을 제외한 SI 기본 단위는 보편적인 물리량을 이용하고 있는데, 질량만이 인공물인 국제 킬로그램 원기를 이용하고 있는 것에 대한 불편이 나타나고 있다.

예를 들어 원기의 질량이 표면 흡착 등의 영향에 의해 해마다 증가하는 것, 원기의 세척으로 질량이 감소(47년만의 세척으로 약 60μg 감소)하는 등 질량의 기준으로 인공물을 이용하는 것에 대하여 재검토가 높아지고 있다.

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고체의 물(얼음)의 특징

물의 결정인 얼음은 대기압에서는 투명한 육방정계의 결정이다.

압력이 매우 높은 상태에서는 복수의 구조를 가진다.

대기압에서 비교적 높은 압력(수천 기압)까지는 가장 가까운 구조의 얼음(얼음Ⅰ)이나, 더욱 압력이 높아지면 얼음의 구조가 바뀌어 현재까지 얼음Ⅱ에서 얼음Ⅳ까지 발견되었다.

매우 높은 압력 하에서는 수소 결합이 줄어들어 물분자의 배열이 바뀌었기 때문으로 여겨진다.

대기압 부근에서 언 얼음의 부피는 물의 부피에서 약 10% 증가하므로 비중이 0.9168로 작아져 물에 뜰 수 있다.

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물의 기본 특성

화학식(H2O), 분자의 형태(곡선상),

쌍극자 모멘트(1.85D), 몰질량(18.0153g/mol)

밀도(999.972kg m-3 액체(4°C), 916.8kg m-3 고체( 0℃), 점도(0.001 Pas, 20℃)

융점(0℃, 273.15K ), 끓는점(100℃, 373.15K)

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융점，끓는점이 높다

분자량이 약 18로 대기를 구성하는 질소(28), 산소(32)에 비해 분자량이 작음에도 불구하고 상온에서 액체가 되는 유일한 물질이다.

일반적으로 융점이나 끓는점은 분자량이 큰 물질일수록 높아진다.

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큰 비열 용량, 잠열(융해열, 증발열)

비열 용량(비열이라는 표기가 많다), 융해열, 증발열(기화열)은 주요한 물질 중에서 최대급의 높은 값을 받는다.

비열 용량의 예(대기압 18℃, Jg-1 K-1)

물: 4.2 Jg-1 K-1, 에탄올: 2.4 Jg-1 K-1, 아세톤: 2.2 g-1 K-1, 벤젠: 1.7 Jg-1 K-1, 알루미늄: 0.9 Jg-1 K-1, 유리: 0.8 Jg-1 K-1, 철: 0.44 Jg-1 K-1, 구리: 0.38 Jg-1 K-1, 은: 0.23 Jg-1 K-1, 수은: 0.14 Jg-1 K-1

융해열의 예(대기압, 융점℃, 융해열) Jg-1)

알루미늄: 660.1℃ 397Jg-1, 물: 0℃ 335Jg-1, 구리: 1,083℃ 174Jg-1, 은: 961.9℃ 105Jg-1, 아연: 419.6℃

101Jg-1, 금: 1064℃ 64.5Jg-1, 철: 1,530℃ 25.1 Jg-1, 납: 327℃ 22.6Jg-1, 수은: -39℃ 11.7Jg-1

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증발열의 예(대기압, 비점℃, 증발열) Jg-1) 끓는점과 기화열(증발열)

물: 100℃ 2,250Jg-1, 벤젠: 80℃ 130Jg-1, 사염화탄소: 77℃ 50Jg-1, 에탄올: 80℃ 393Jg-1, 수은: 357℃ 285Jg-1, 액체산소: -183℃ 213Jg-1, 액체질소: -196℃ 199Jg-1

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표면장력이 크다

표면장력은 표면에 늘어선 분자 간 상호작용의 결과로서 나타난다.

표면장력은 분자간 힘 크기의 기준이 된다.

액체의 표면장력의 예(대기압, 20℃, 10-3Nm-1)

수은: 475, 물: 72.75, 벤젠: 28.9, 아세트산: 27.7, 에탄올: 22.55

수은은 실온 부근에서 액체이지만 금속 결합 물질로서 분자간 힘이 수소 결합이나 판데르발스력인 물질에 비해 월등히 커진다.

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밀도가 있는 온도(약 4℃)에서 최대

일반적으로는 액체의 온도를 낮추는 분자의 열운동이 저하되어 분자간의 평균거리가 짧고(부피의 감소) 밀도가 증가한다.

그러나 끓는점으로부터 4℃까지는 온도의 저하와 함께 밀도가 증가(부피가 감소)하지만, 그 후 온도의 저하와 함께 밀도가 감소(부피가 증가)한다.

밀도의 감소는 고체의 얼음이 되어도 계속 되므로(물분자의 결정화의 특징) 얼음이 액체의 물에 뜨거나 밀폐 용기에 넣은 물의 동결로 용기가 파손되거나 한다.

이러한 현상은 예외 중의 예외이다.

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유전율이 크다

외부로부터 전장을 제공했을 때의 원자나 분자의 거동이다.

절대치의 측정을 할 수 없으므로, 매질의 유전율과 진공의 유전율의 비율인 비유전율로 비교된다.

물은 일부 물질(티타늄산 바륨, 로셸염, 시안화 수소 등 소수)을 제외하고 일반적인 물질 중에서 높은 값을 가진다.

비유전율의 예

티타늄산 바륨(약 5,000), 로셸염(약 4,000), 시안화수소(약 118.8) :18℃), 물(80.4 20℃), 알코올(16~ 31), 유리(5.4 ~9.9), 이오우(3.6~ 4) 석영(3.8), 종이(2.0~ 2) 공기(1.00059)

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물의 자기 특성

물은 반자성의 성질을 보여주는 대표적인 물질이다.

강력한 자석을 가까이하면 물이 반발하여 도망치듯 움직이는 현상은 구약성서의 일화에 따서 '모세 효과'라고 불린다.

물은 액체 중에서는 월등한 유전율을 가지며, 물분자의 회전 에너지 준위에 상당하는 마이크로파(18 GHz)를 효율적으로 흡수한다.

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무엇이든지 잘 녹이다

전해질(이온성 물질)에 한정하지 않고 유기물에 대해서도 녹일 수 있다.

물만큼 많은 물질을 녹일 수 있는 액체(용매)는 그 밖에 없으며, 특히 무기화합물을 이온으로 분해해서 녹이는 힘은 탁월하다.

물은 결정수나 히드록실기(OH기, 수산기라고도 함)의 형태로 다른 결정이나 광물과 결합하고, 결정수에서는 200℃ 정도, 히드록실기(OH기, 수산기라고도 함)가 된 것은 600℃ 정도로 가열하지 않으면 분해되지 않을 정도로 강하결합한다.

 

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